150fs～10ps脉宽下熔石英激光损伤的仿真与分析

基于约化电子数密度增长速率方程,建立了熔石英导带电子数密度随脉冲持续时间变化的模型。利用电子数临界密度这一概念,得到了150fs~10ps脉宽下,熔石英激光损伤阈值范围。分析表明,5~10ps,雪崩电离仍然起主要作用,而光致电离提供的初始电子使雪崩电离不再依赖材料原有的初始电子;当脉宽减小到约为4ps时,光致电离与雪崩电离作用相等;之后,光致电离起主要作用。通过仿真出的损伤阈值拟合,得到了该脉宽区间下新的脉宽定律:熔石英的损伤阈值正比于脉宽的0.38次方;考虑温度对熔石英损伤阈值的影响,熔石英的损伤阈值正比于脉宽的0.34次方。     

微观缺陷对材料损伤阈值的影响分析

为了研究材料表面高频缺陷对损伤阈值的影响规律,针对典型表面圆锥凸起状表面缺陷建立了三维分析模型,使用有限元算法计算了两种不同波长激光辐照下,表面缺陷周围的电场变化规律。基于激光诱导材料产生损伤的场效应理论,对缺陷存在条件下材料的损伤阈值进行了定量计算。结果表明,缺陷的存在会对电场产生明显的放大效应,这将直接导致损伤阈值的下降;损伤阈值与缺陷高度成反比关系,与入射波长成正比关系;缺陷导致的损伤阈值下降幅度会随脉宽增加先减小后增大,当入射波长分别为351nm和1064nm时,缺陷导致的损伤阈值下降幅度分别在脉宽为1.80ps和15.80ps处最小。     

脉宽对中红外激光带内损伤HgCdTe材料的影响

研究了脉宽对于中红外脉冲激光带内损伤碲镉汞（HgCdTe）材料阈值的影响,使用一维自洽模型对激光辐照HgCdTe材料程中的载流子数密度,载流子对数目流,载流子对能流,载流子温度和材料晶格温度等相关参数进行仿真计算。仿真结果表明,波长2.85 μm,脉宽30 ps～10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值为200～500 mJ/cm2。其中,300 ps～3 ns脉冲激光的损伤阈值相近,均为200 mJ/cm2且低于其他脉宽激光的损伤阈值。搭建实验光路并进行相关实验验证仿真模型的正确性。实验发现,波长2.85 μm、脉宽300 ps的单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值在200 mJ/cm2左右。相同条件下,10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值约474 mJ/cm2。百皮秒脉冲激光对HgCdTe材料的损伤过程结合了热击穿和光学击穿效应,其独特的毁伤机理加剧了材料的损伤。     

光学薄膜激光诱导损伤机理研究

基于电子密度演化模型,借助数值方法,研究了飞秒激光作用下光学薄膜内的电子密度演化过程,讨论了初始电子密度Ni和激光脉冲宽度τ对光学薄膜激光损伤阈值Fth的影响,分析了激光诱导薄膜损伤过程中MPI和AI的性质和作用.研究结果表明,对应于一定的脉宽,存在一个临界初始电子密度,当Ni低于这一临界密度时,Fth不受Ni影响;当Ni高于临界密度时,Fth随Ni增加而降低.临界初始电子密度随着脉宽的减小而增加。对于FS和BBS介质薄膜,Fth随脉宽的增加而升高。初始电子密度Ni对BBS中的MPI和AI基本没有影响;同样Ni对FS中的AI基本不产生影响,但当Ni>1011 cm－3时,FS中MPI电子密度随Ni增加而降低.在所研究的脉宽范围τ∈［0.01,5］ps,AI是FS介质激光诱导损伤的主要机制.而对于BBS,当脉宽τ∈［0.03,5］ps,AI是激光诱导损伤的主要机制;当脉宽τ∈［0.01,0.03］ps,MPI在激光诱导损伤中占主导地位.     

高温合金不同脉宽超快激光作用下多脉冲去除阈值

实验研究了激光脉冲宽度和脉冲个数对镍基高温合金材料去除阈值的影响,分别在290 fs,1 ps和7 ps脉宽的激光下,使用1,10,50,100,300,500和1000个不同能量的激光脉冲辐照高温合金样品表面。实验结果表明,烧蚀坑尺寸会随脉冲数的增加而增加,而脉冲宽度的增加会加大脉冲个数对烧蚀坑直径的影响。通过烧蚀坑直径的平方值与激光脉冲能量之间存在的对数关系,得到了不同脉冲宽度下镍基高温合金的多脉冲材料阈值。3种不同脉宽下的高温合金多脉冲去除阈值都存在显著的累积效应。根据去除阈值计算得到290 fs,1 ps和7 ps脉宽下的累积效应系数分别为0.88,0.86和0.78。     

多脉冲激光辐照下介质损伤理论研究

针对纳秒脉冲和飞秒脉冲不同的损伤机制,分别建立了两种多脉冲激光损伤模型。脉宽小于10 ps时,损伤是由于等离子体形成造成介质发生烧蚀所致,对此建立了基于电子密度演化方程的介质击穿模型;脉宽大于100 ps时,损伤是由于热沉积造成介质发生熔融所致,对此建立了基于傅里叶热传导方程的介质热损伤模型。通过计算两种模型下激光参数和材料参数对多脉冲损伤的影响,发现由于损伤机理不同,不同参数对单脉冲损伤阈值和多脉冲损伤阈值的影响趋势不完全一致,敏感程度也不同。通过计算得到了与实验结果一致的多脉冲损伤阈值与脉冲数间关系,使定量预估多脉冲损伤阈值和元件使用寿命成为可能。     

激光聚焦位置对K9光学玻璃损伤的影响

 利用脉宽为10 ns、波长为1 064 nm的激光脉冲聚焦通过K9玻璃的方法,研究了玻璃的损伤形貌与高强度纳秒激光脉冲聚焦位置的关系。当激光脉冲聚焦在样品中心时,吸收能量随着入射能量的增加呈线性增长,玻璃的破坏范围不断扩大;当激光脉冲聚焦在样品表面时,吸收能量随着入射能量的增加呈先增长而后减小最终趋于平稳,玻璃表面的破坏范围也是先增大而后减小趋于平稳,这主要是由于空气被击穿而吸收大量能量引起的。     

短脉冲激光辐照下SiO2损伤微观机理简化模型

 从电子密度速率方程出发，建立短脉冲激光辐照下SiO₂材料中导带电子增长简化模型，计算了SiO₂中光致电离速率和电子雪崩速率，得到SiO₂激光损伤阈值与脉冲宽度的关系，计算分析了光致电离和碰撞电离两种电离机制在导带电子累积过程中的不同作用。结果表明：脉冲较长，碰撞电离几乎能提供全部的导带电子，激光损伤阈值与脉宽的0.5次方成正比；脉冲较短时，导带电子主要由碰撞电离产生，光致电离提供碰撞电离的初始电子，激光损伤阈值随着脉宽的减小，先增加后减小。     

脉冲宽度对云雾回波的影响研究

云雾后向散射会产生引发激光引信虚警的回波信号.基于蒙特卡罗法,对云雾散射回波进行了模拟仿真,并定量给出了云雾散射回波的波形、波峰位置、脉宽和峰值功率随发射脉冲宽度的变化规律.研究结果表明,回波峰值功率随着发射脉宽的增大而增大,且当发射脉宽增大到50ns后趋于饱和,峰值功率将不随脉冲宽度的变化而变化;脉冲展宽的程度随发射脉宽的增大而减弱;发射脉宽对云雾散射回波波峰位置的影响较小.给出的回波信号模拟仿真结果可以为窄脉冲激光引信的目标识别以及探测阈值和脉冲宽度等参量的优化设计提供依据.     

多脉冲激光对K9玻璃的表面损伤实验研究

 实验研究了波长为1 064 nm、脉宽为10 ns、重复频率为1 Hz的激光脉冲对K9玻璃的表面损伤特点,给出了脉冲透过能量随激光脉冲作用次数变化的规律。采用3维立体显微镜对损伤形貌进行观察,发现K9玻璃的损伤表面呈环状分布,分为烧蚀区、微裂纹区和断裂区。随着激光脉冲个数的增加,损伤由点状破坏演变为损伤区,微裂纹逐渐增长,损伤面积逐渐增大。基于激光支持的爆轰波理论分析,激光与脆性材料的相互作用可引起微裂纹的大量增长。在多脉冲激光的作用下,K9玻璃损伤的累积效应明显,表面损伤阈值明显降低,表面裂纹增长明显,损伤面积逐渐增大;但随着激光脉冲的继续增加,这种损伤趋于稳定。     

Pulsed laser induced damage in SOI material

Laser-induced damage in silicon-on-insulator (SOI) material is investigated with 1064 nm laser pulses. As the laser pulse duration is increased from 190 ps to 1.14 s, the damage threshold of SOI material decreases from 1.3×10¹⁰ to 7.7×10³ W/cm² in laser flux. It is found that the damage threshold varies inversely as the pulse duration for a short irradiation time, and is independent of pulse duration for a long irradiation time. The time dependence is in good agreement with a thermal model which well describes the thermal-induced damage in a semi-finite material irradiated by a Gaussian laser beam. The values of absorption coefficient and thermal conductivity under laser irradiation are calculated as 1.1×10³ cm^?1 and 0.18 Wcm^?1 K^?1, respectively, by fitting the model to the experimental results. These results on material damage can be used to predict the damage thresholds of SOI-based devices.     

飞秒激光激发空气电离的阈值研究

报道在脉宽50fs—22ps,波长800nm脉冲激光作用下的空气电离阈值的研究结果.利用探测等离子体发光信号的方法,实验测量了激发空气电离所需的阈值激光强度.结果表明,当激光脉冲宽度从50fs增加到22ps时,阈值光强I_th从8.7×10¹⁴W/cm²下降到2.7×10¹³W/cm²;I_th经历了由迅速降低逐渐发展为缓慢降低的过程.在50fs—1p 关键词： 飞秒激光 阈值 多光子电离 碰撞电离     

飞秒激光激发空气电离的阈值研究

报道在脉宽50fs—22ps，波长800nm脉冲激光作用下的空气电离阈值的研究结果.利用探测等离子体发光信号的方法，实验测量了激发空气电离所需的阈值激光强度.结果表明，当激光脉冲宽度从50fs增加到22ps时，阈值光强I_th从8.7×10¹⁴W/cm²下降到2.7×10¹³W/cm²；I_th经历了由迅速降低逐渐发展为缓慢降低的过程.在50fs—1p     

不同脉冲宽度355 nm波长激光诱导DKDP晶体损伤特性

研究了用于三倍混频的Ⅱ类DKDP晶体在35 ps,850 ps和7.6 ns三种不同脉宽355 nm波长激光作用下的损伤特性。实验对比分析了损伤阈值、概率和损伤针点形貌、尺寸和密度,并根据损伤阈值及概率得到前驱体阈值及密度。结果表明,前驱体的激光能量吸收量与脉宽线性相关。35 ps激光作用下DKDP有一种前驱体吸收激光能量形成熔融状损伤针点。850 ps激光作用下有两种前驱体吸收激光能量并产生力学破坏形成中心熔融四周断裂的损伤针点。7.6 ns激光作用下只有一种前驱体吸收激光能量,并且形成的损伤针点与850 ps对应的损伤针点有相同特征。     

Pulse-width influence on the laser-induced structuring of CaF2 (111)

We have investigated the morphology of CaF₂ (111) irradiated by 780 nm laser pulses of varying pulse width (200 fs-8 ns) with fluences above the damage threshold. Large differences can be observed which we relate to the mechanisms and dynamics of defect production in this wide band gap material. The best defined and most controllable ablation is obtained for laser pulse widths of a few picoseconds. For nanosecond and femtosecond pulses strong fracturing of the crystal is observed with damage outside the laser irradiated zone. This has a thermal origin for nanosecond pulses but a non-thermal origin for pulse widths below approximately 1 ps.